中文翻译-用于测量垂直运动的平面MEMS结构差分电容位移传感器.docVIP

译文 用于测量垂直运动的平面MEMS结构差分电容位移传感器 摘要 为测量微机电(MEMS)硅器的垂直偏电容传感器发展。传感器不在器表面之上,不器膜片信号电极。在器膜之下安电极,一个信号入,信号。当器偏转,交叉的手指电极,产生了随时间变化的。这个由电压换器监测,硅体器位移。观察大约每1m偏10mV信号电压变化。在过去几年,微机械设备的发展。研究员使用微机电(MEMS)制造静电马达、器、变换装置和其它设备。一MEMS结构双锚器,在模光学图象加工系统。典型的双锚式器硅或刚性和绝缘的硅体。膜和基体之间电压致膜向下偏转,图1。立方电压的作用偏折单调地增加。我们的研究小组目前开发一可寻址列阵控制一个连续镜膜的。这设备主要应用光学系统。镜子附各器图1。在我们当前测试,各个执行器的偏由各种各样的光学仪器监测,包括多谱勒仪干涉仪和敏显微镜。虽然对一器的实验性测试,但是为监测整器这些昂贵的精仪器譬如那些光学镜子是不切实际的。我们的研究的目标是发简单易制造在一个一列阵感器位系统。 图2 为水平运动设计的差分电容位置测量系统的必要元件 电容C1和C2是元位的。在平衡位置,C1和C2相等OUT等于零±Vs的脉冲信号电压，由运动元件引起的电荷为(C1-C2)Vs。当元件在平衡位置时,C1和C2是相等的,产生的感应电荷为零。当元件朝信号电极之一移动时,它的电容相对于这个电极增加，相于对另一电极减少。移动的元件产生的感应电荷与C1和C2之差成比例,致使在vOUT产生一个非零信号。 图2所示的差分电容检测方法很适用于水平运动方式的MEMS结构,但它并不适用于元件相对基体表面做垂直运动的情况。在MEMS制造平面世界,基于垂直结构的平稳差分电容是不容易构建的。电极必须安置在移动的元件的上下,并要求另外的牺牲层和额外掩饰、石版影印、沉积物和蚀刻部分。镜子设备制造使用MCNC多用户MUMPS批量处理法，差分电容器检测垂直运动所必需的附加层完全不可利用。更重要的是,平稳差分电容方法与我们的可变形的反射设备是不相容的。在我们的结构里,许多执行器只支持单一的、光学上完美的硅镜子膜,并且在各台执行器之上没有安置检测电极的空间。同时,我们的支持杆构造导致,为防止执行器膜片被用作信号电极，列阵内所有执行器膜片通过光学膜被连接到地面。本文介绍可直接连接到地面的移动执行器的差分电容检测技术。检测电极和信号电极设在桥式执行器膜片之下，提供关于执行器偏转的信息。这种方法依靠由信号电极产生的空间谐波场分布探测在偏转执行器之下间隙的大小。这种方法被证明是可靠、稳定和容易制造的。 2 传感元件描述 图3 基于交叉电极电容垂直位监控系统的基本特点。形成一简单的电压换器以跨电导获 图4 由偏振显微镜所拍摄的设备照片 我们的电容传感系统基本的特点如图3所示,图4显示的是一张取自偏振显微镜设备的图片。在双锚式桥梁之下的硅氮化物层上，放置着一对彼此间与地面相互绝缘的两个相互交错的电极。一组被施加微小的随时间变化的正弦电压的指针电极被称为信号指针。另一组指针被称为检测指针,由电流电压转换器的输入端保持在地面电压。应用于信号指针的正弦电压足够小以至由此导致的执行器偏转是微不足道的,并且信号电压的频率(1兆赫兹)足够低，可以应用准静态场对执行器间隙进行分析。总之,如果信号频率比小,准静态场将会产生影响，是结构的最大基准尺寸，是光速。在准静态场近似之下,场在执行器空隙为拉普拉斯算子,并且由信号指针产生的电场线终止于检测指针或接地的执行器膜片。终止在检测指针的总信号场通量为执行器空隙间距的函数。当执行器不偏转时,如图5(a),大多数信号场靠近检测指针。如果执行器向下偏转,如图5(b),更多信号电场线终止在执行器膜片,并且少量信号电场线到达检测指针。实质上,执行器的偏转使检测指针和信号指针之间的电容量减少，执行器膜片和信号指针之间电容量增加。结果导致随着执行器空隙变窄，信号电压减小，在检测指针产生电荷。可以通过检测流向检测指针的电流来测量的值,即执行器偏转量的度量。直流电场线使执行器偏转不能显示在图5(b)。 图5 （a）没有电压器。在信号和之间信号结它的最大直流电压的用器向下偏转。在信号和之间信号结减少就能很容易地预算出来。首先,对于小空隙对宽度比率和偏折, 即使膜片从它的静止位置发生偏转，处于执行器膜片下的交叉电极部分仍被假设是平面。对于小空隙对执行器宽度比率这个假定是合理的。第二,指针电极被假设没有垂直厚度, 所以在电极，平面电势分布可以被描述为Φ(x,t)=f(x)Vs(t),函数见图6(a), 并且是作用于信号指针的正弦电压。注意描述电势在电极平面上的空间变化,描述时间的变化。 由于准静态场存在,电势和电场在空隙的解可以依据图6(b)所示边界条件的二维边界值问题来解决。具体地,支配解的边界条件Ф(x,